〖學(xué)習(xí)與探討〗稱重傳感器設(shè)計制造模式的發(fā)展與創(chuàng)新

【摘要】“工業(yè)4.0“的核心是制造業(yè)數(shù)字化、智能化；《中國制造2025》的精髓是工業(yè)化與信息化深度融合，以”創(chuàng)新驅(qū)動、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、質(zhì)量為先、綠色發(fā)展”作為制造業(yè)發(fā)展的指導(dǎo)方針。本文就稱重傳感器企業(yè)如何將信息技術(shù)與制造技術(shù)融合，實現(xiàn)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的設(shè)計與制造，探討了稱重傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計模式創(chuàng)新；制造工藝模式創(chuàng)新；關(guān)鍵制造工序推進(jìn)自動化、智能化改造；建立數(shù)字化稱重傳感器技術(shù)體系和基礎(chǔ)工藝支撐體系等問題，介紹了三維數(shù)字化設(shè)計制造的基本途徑，供稱重傳感器企業(yè)推進(jìn)數(shù)字化、智能化制造參考。

【關(guān)鍵詞】稱重傳感器；設(shè)計制造模式；數(shù)字化；網(wǎng)絡(luò)化；智能化；三維數(shù)字化設(shè)計制造

一、概述

在 “工業(yè)4.0”新一輪工業(yè)革命來臨之時，我國不失時機的提出了“中國制造2025”戰(zhàn)略，將給我國制造業(yè)注入強大的發(fā)展動力，也給傳感器行業(yè)帶來無限發(fā)展商機。  “中國制造2025”的核心驅(qū)動力是抓智能制造，它是解決中國制造業(yè)由大國變強國的根本路徑?！爸袊圃?025”是升級版的中國制造，體現(xiàn)：四大轉(zhuǎn)變、一條主線和八大對策。

四大轉(zhuǎn)變：由要素驅(qū)動向創(chuàng)新驅(qū)動轉(zhuǎn)變；由低成本競爭優(yōu)勢向質(zhì)量效益競爭優(yōu)勢轉(zhuǎn)變；由資源消耗大、污染物排放多的粗放制造向綠色制造轉(zhuǎn)變；由生產(chǎn)型制造向服務(wù)型制造轉(zhuǎn)變。

一條主線：以體現(xiàn)信息技術(shù)與制造技術(shù)深度融合的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化制造為主線。

八大對策：推行數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化制造；提升產(chǎn)品設(shè)計能力；完善制造業(yè)技術(shù)創(chuàng)新體系；強化制造基礎(chǔ)；提升產(chǎn)品質(zhì)量；推行綠色制造；培養(yǎng)具有全球競爭力的企業(yè)群體和優(yōu)勢產(chǎn)業(yè)；發(fā)展現(xiàn)代制造服務(wù)業(yè)。

稱重傳感器行業(yè)如何落實“中國制造2025”發(fā)展戰(zhàn)略，如何將信息技術(shù)與制造技術(shù)深度融合實現(xiàn)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化設(shè)計與制造，是行業(yè)內(nèi)較大型企業(yè)必須面對的課題。近年來，三維數(shù)字化設(shè)計制造能力已經(jīng)成為國內(nèi)外企業(yè)競爭的核心，是實現(xiàn)企業(yè)研制能力變革的支點和突破口，這一具有風(fēng)向標(biāo)性質(zhì)的變化應(yīng)引起稱重傳感器企業(yè)高度重視。盡管應(yīng)變式稱重傳感器的原理和制造工藝決定了它不能象機器零部件那樣自動化、智能化無縫連接生產(chǎn)線大批量生產(chǎn)，但也應(yīng)該用互聯(lián)網(wǎng)思維升級稱重傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計與制造工藝，使其盡量接近數(shù)字化、智能化或部分?jǐn)?shù)字化、智能化生產(chǎn)。互聯(lián)網(wǎng)是共性和基礎(chǔ)，稱重傳感器企業(yè)管理層必須用信息化的手段和互聯(lián)網(wǎng)思維審視企業(yè)、再造企業(yè)。剖析企業(yè)的主要元素，一個是人，一個是事，企業(yè)的轉(zhuǎn)型無外乎就是人的轉(zhuǎn)型和事的轉(zhuǎn)型。稱重傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計與制造工藝的數(shù)字化、智能化改造，就從人和事開始，即從人的設(shè)計理念和制造工藝流程開始，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計與制造工藝模式創(chuàng)新。

二、稱重傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計模式創(chuàng)新

我國應(yīng)變式稱重傳感器企業(yè)目前多采用兩種設(shè)計方法，其一是傳統(tǒng)設(shè)計法，就是古典計算方法+經(jīng)驗，為半理論、半經(jīng)驗設(shè)計，不能實現(xiàn)最佳設(shè)計，對彈性元件的邊界影響、支承剛度和應(yīng)力集中等很難作出分析，為一些中、小型企業(yè)所采用。其二是現(xiàn)代設(shè)計法，它是傳統(tǒng)設(shè)計理論的延伸，多種設(shè)計技術(shù)、理論與方法的綜合，即建立數(shù)學(xué)模型，利用有限元法進(jìn)行計算與分析。其特點是：設(shè)計手段精確化、計算機化，但仍需要實物模裝、實物試驗與測試，為大型企業(yè)普遍采用。

長期以來，國內(nèi)外稱重傳感器企業(yè)都在探索一種科學(xué)合理、經(jīng)濟高效的產(chǎn)品設(shè)計與制造方法，以支持產(chǎn)品設(shè)計、制造、檢測、應(yīng)用等全生命周期各個階段的數(shù)據(jù)定義和傳遞。基于模型定義（MBD，Modcl  Based  Dtfinition）技術(shù)的出現(xiàn)為解決這一難題提供了一種有效的途徑。模型定義技術(shù)是將產(chǎn)品的所有相關(guān)設(shè)計定義、工藝描述、屬性和管理等信息都附著在產(chǎn)品三維模型的數(shù)字化定義方法之中，為三維數(shù)字化設(shè)計制造提供了理論基礎(chǔ)。

處于國際市場引導(dǎo)者地位的稱重傳感器制造企業(yè)，早在幾年前就開始了結(jié)構(gòu)設(shè)計模式創(chuàng)新，基于模型定義技術(shù)實現(xiàn)了三維數(shù)字化設(shè)計制造。其特點是：改變原有的稱重傳感器設(shè)計方式，從設(shè)計工具改造入手，建立具有自主知識產(chǎn)權(quán)的三維數(shù)字樣件快速設(shè)計平臺。包括：彈性元件總體結(jié)構(gòu)快速設(shè)計與計算；引入載荷和承受載荷的邊界條件影響分析；引入載荷的壓頭、承受載荷的底墊和安裝平臺組合分析與設(shè)計子系統(tǒng)。建立稱重傳感器總體結(jié)構(gòu)的三維數(shù)字樣件，以數(shù)字模裝替代實物模裝，實現(xiàn)總體結(jié)構(gòu)與附件的”提前見面“，發(fā)現(xiàn)和解決不協(xié)調(diào)問題。從理論分析與計算、總體結(jié)構(gòu)與附件設(shè)計上，保證稱重傳感器性能波動最小。

三、稱重傳感器制造工藝模式創(chuàng)新

1. 生產(chǎn)模式創(chuàng)新

打破傳統(tǒng)的稱重傳感器制造方式，實施制造工藝與彈性元件及其附件批量生產(chǎn)線創(chuàng)新。改變原有圖紙分發(fā)模式，基于電子分發(fā)流程，實現(xiàn)從設(shè)計到制造三維模型直接到生產(chǎn)線。與傳統(tǒng)二維圖紙分發(fā)相比，即提高了工作效率，又縮短了工藝準(zhǔn)備周期。由于全面采用了結(jié)構(gòu)化、三維可視化手段，有利于實現(xiàn)三維工藝設(shè)計與檢驗，保證了彈性元件具有較高的尺寸、形位精度和產(chǎn)品的均一性。

2. 關(guān)鍵制造工序推進(jìn)自動化、智能化改造

應(yīng)變式稱重傳感器的生產(chǎn)過程是支持工藝、基礎(chǔ)工藝、核心工藝和特殊工藝的科學(xué)運用和集成。其中核心制造工藝在稱重傳感器整個生產(chǎn)過程中起關(guān)鍵作用，突出的表現(xiàn)在電阻應(yīng)變計粘貼、固化與后固化；零點溫度與靈敏度溫度補償；性能測試與檢定工序。盡管應(yīng)變式稱重傳感器的原理和制造工藝決定了其生產(chǎn)線的工序之間很難無縫連接，但在互聯(lián)網(wǎng)思維逐步滲透到各個企業(yè)的今天，稱重傳感器的制造工藝也要革命性的創(chuàng)新，否則就有波淘汰出局的危險。處于國際市場引導(dǎo)者地位的稱重傳感器制造企業(yè)的經(jīng)驗是：對關(guān)鍵制造工序推進(jìn)自動化、智能化改造，首先將對稱重傳感器質(zhì)量影響大的要害制造工序自動化、智能化。

電阻應(yīng)變計粘貼工序——電阻應(yīng)變計在彈性元件上的粘貼質(zhì)量和定位誤差，對稱重傳感器的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性至關(guān)重要，所以此項核心工藝多采用機器人定位、刷膠、粘貼電阻應(yīng)變計，并配有自動安裝加壓夾具的輔助系統(tǒng)，保證了電阻應(yīng)變計在彈性元件應(yīng)變區(qū)的粘貼質(zhì)量和定位尺寸的均一性。

固化和后固化工序——是在規(guī)定溫度下、一定時間內(nèi)應(yīng)變膠粘劑本身交連，并與彈性元件表面產(chǎn)生附著作用而牢固結(jié)合的過程。固化工藝的三要素是固化溫度、升溫速率、保溫時間。粘結(jié)強度隨固化溫度的提高而增大，但要防止固化溫度過高或過低，以免出現(xiàn)過固化：使膠層變脆，粘結(jié)強度減小，疲勞壽命降低；欠固化：使膠層分子鍵聚合不牢固，出現(xiàn)蠕滑效應(yīng)，蠕變大。為此電阻應(yīng)變計固化和后固化多采用隧道式自動化、智能化加溫控溫烘道。隧道式加溫控溫烘道，控溫精度高、工作段溫度均勻性好，固化、后固化完成后應(yīng)變膠粘劑物理和機械性能的均一性好，為提高稱重傳感器的工作可靠性和長期穩(wěn)定性打下堅實基礎(chǔ)。

零點溫度與靈敏度溫度補償工序——是保證稱重傳感器具有優(yōu)良溫度性能指標(biāo)的關(guān)鍵制造工序，多采用高效智能零點溫度和靈敏度溫度補償測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)硬件由接口單元、大型高低溫試驗箱及箱內(nèi)的接線單元、高穩(wěn)定度激勵電源、數(shù)據(jù)采集單元、微機系統(tǒng)、打印機構(gòu)成，并有強大的稱重傳感器零點和靈敏度溫度補償軟件。自動控溫的大型高低溫箱的控溫精確度高，溫度均勻性好。如是多種類型稱重傳感器可以設(shè)置不同的系統(tǒng)編號，以便歸檔和數(shù)據(jù)查詢。

性能測試與檢定工序——較大量程稱重傳感器的性能測試與檢定，在無縫連接的自動化、智能化控制的多臺疊加式力標(biāo)準(zhǔn)機上進(jìn)行，自動打印測試數(shù)據(jù)，自動判別是否合格，并剃出不合格產(chǎn)品。較小量程稱重傳感器的性能測試與檢定在群控靜重式力標(biāo)準(zhǔn)機系統(tǒng)進(jìn)行，一般在生產(chǎn)線上分別設(shè)置了50kg、500kg、2000kg群控靜重式力標(biāo)準(zhǔn)機系統(tǒng)。它由多臺靜重式力標(biāo)準(zhǔn)機、高低溫試驗箱和控制系統(tǒng)組成，具有拉伸、壓縮雙向加載功能。該控制系統(tǒng)按程序?qū)来a和動橫梁通過光電傳感器進(jìn)行位置控制，由PLC可編程控制器和計算機通過軟件完成整個控制程序，實現(xiàn)對單臺靜重式力標(biāo)準(zhǔn)機單獨控制和多臺靜重式力標(biāo)準(zhǔn)機同時控制。由于此種群控靜重式力標(biāo)準(zhǔn)機具有活動橫梁，在將砝碼全部掛上后，通過動橫梁可進(jìn)行一次性的快速加載或卸載，滿足快速三次預(yù)載試驗和蠕變試驗加載要求，提高了檢測效率。

之后，將各個具有獨立操作和控制功能的自動化、智能化工序，通過網(wǎng)絡(luò)和計算機系統(tǒng)相互連接起來，在網(wǎng)絡(luò)軟件管理下，實現(xiàn)信息的收集、存儲和處理。

通過多媒體視頻等多種方式進(jìn)行工藝信息表達(dá)，例如實時顯示各工藝流程生產(chǎn)狀況、質(zhì)量狀況、制程現(xiàn)狀（如電阻應(yīng)變計固化、后固化控溫情況；零點溫度、靈敏度溫度補償成功率；性能測試與檢定合格率等），以便對產(chǎn)品質(zhì)量和制程運行進(jìn)行控制和管理。

四、形成數(shù)字化稱重傳感器技術(shù)體系和基礎(chǔ)工藝支撐體系

應(yīng)變式稱重傳感器設(shè)計與制造形成數(shù)字化技術(shù)體系的標(biāo)準(zhǔn)是：

1. 統(tǒng)一的產(chǎn)品研制流程

在應(yīng)變式稱重傳感器結(jié)構(gòu)與工藝流程設(shè)計中，既要吸收國內(nèi)外最佳實踐流程設(shè)計，又必須具有本公司的特點。

2. 統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范

建立公司稱重傳感器數(shù)字化研制標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，覆蓋設(shè)計、制造、工藝、檢測平臺建設(shè)等方面。

3. 統(tǒng)一的基礎(chǔ)工藝

稱重傳感器彈性元件利用的應(yīng)力不同、結(jié)構(gòu)不同，其基礎(chǔ)制造工藝是基本相同的。必須制定共性的、科學(xué)合理的、可重復(fù)的生產(chǎn)工藝流程。

4. 統(tǒng)一的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫

建立電阻應(yīng)變計庫、標(biāo)準(zhǔn)件庫、原材料庫、元器件庫、通用產(chǎn)品庫等基礎(chǔ)共性數(shù)據(jù)庫，錄用實際數(shù)據(jù)。

5. 統(tǒng)一版本的軟件工具

三維設(shè)計全部采用公司統(tǒng)一的設(shè)計工具，以提升設(shè)計效率。但需要解決：

（1）產(chǎn)品三維標(biāo)注方法；

（2）二維圖樣信息向三維模型信息轉(zhuǎn)換技術(shù)；

（3）建立有效地建模及標(biāo)注方法，使三維數(shù)字樣件成為產(chǎn)品設(shè)計、制造的依據(jù)。

五、質(zhì)量管理模式創(chuàng)新

改變原有稱重傳感器設(shè)計制造的組織模式和質(zhì)量管理方式，建立符合數(shù)字化設(shè)計制造的規(guī)章制度，以三維數(shù)字樣件及產(chǎn)品為核心，將設(shè)計、工藝、檢驗融為一體，通過實踐盡快形成一系列數(shù)字化設(shè)計制造模式下的質(zhì)量管理思路和方法。通過數(shù)字化研制大綱，明確稱重傳感器整體研制要求；通過數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系，明確具體數(shù)字化工作要求；通過數(shù)字化設(shè)計的樣件驗收條件，將對樣件的要求等同為正式產(chǎn)品的要求納入質(zhì)量管理體系；通過三維數(shù)字化設(shè)計與工藝平臺和自動化、智能化生產(chǎn)工序的網(wǎng)絡(luò)化管理，控制批量生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量。

六、結(jié)束語

稱重傳感器三維數(shù)字化設(shè)計制造模式的建立過程，是企業(yè)領(lǐng)導(dǎo)和技術(shù)人員統(tǒng)一思想、轉(zhuǎn)變觀念的過程，是變革與創(chuàng)新、打破舊的工作習(xí)慣，建立新的工作秩序的過程。對于我國較大型稱重傳感器企業(yè)來講，這個過程起主導(dǎo)作用的關(guān)鍵因素是領(lǐng)導(dǎo)和技術(shù)帶頭人。這期間必然經(jīng)歷觀念的碰撞，習(xí)慣的磨合，從不了解到了解，從不認(rèn)同到認(rèn)同，從有些生熟到熟練應(yīng)用。希望我國較大型稱重傳感器企業(yè)，以“能用眾力，則無敵于天下；能用眾智，則無畏于圣人”的理念，集合團隊的智慧和力量將生產(chǎn)線的主要工序由自動化升級為智能化，盡快實現(xiàn)稱重傳感器的三維數(shù)字化設(shè)計制造。

參考文獻(xiàn)

【1】劉檢華．三維數(shù)字化設(shè)計制造技術(shù)推動產(chǎn)品研制模式重大變革．2012年P(guān)LM征文。

【2】范玉青．基于模型定義技術(shù)及其實施．航空制造技術(shù)．2012.．6。

作者簡介：劉九卿（1937—），男，漢族，遼寧省海城市人。中國運載火箭技術(shù)研究院第七O二研究所研究員，享受國務(wù)院政府特殊津貼專家。現(xiàn)為中國衡器協(xié)會技術(shù)顧問，衡器技術(shù)專家委員會顧問，《衡器》雜志編委。編著《電阻應(yīng)變式稱重傳感器》、《國家職業(yè)資格培訓(xùn)教程—稱重傳感器裝配調(diào)試工》,在有關(guān)雜志上共發(fā)表學(xué)術(shù)論文110多篇。

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